研究希格斯粒子的物理學家，到底在研究些什么？

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日前，《物理評論快報》刊發了歐洲核子中心（CERN）大型強子對撞機（LHC）的新成果，并被編輯部作為高亮文章（highlighted article）推薦。研究顯示，科學家觀測到了希格斯粒子的一種稀有衰變跡象。

中國科學家是此次聯合測量的召集人和主要貢獻者。論文的匿名評審認為“觀測到新的希格斯粒子衰變通道，是被物理學界廣泛期待的消息”。

希格斯粒子是賦予所有基本粒子以質量的“上帝粒子”。2021年，LHC上的兩個探測器——超環面儀器實驗（ATLAS）、緊湊繆子線圈實驗（CMS），發現了希格斯粒子衰變成一個光子和一個“虛擬光子”的證據。如今，兩個探測器團隊又首度以聯合測量的方式，尋找希格斯粒子衰變成一個Z玻色子和一個光子的信號，并觀測到這一稀有衰變跡象。

這些研究的意義何在？粒子物理學家們為何執迷于研究希格斯粒子的“衰變”？他們一直希望斥巨資建設的“希格斯工廠”又會對這些研究有什么用？為探明這些問題，《中國科學報》采訪了此次聯合測量中的相關中國科學家。

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研究希格斯粒子稀有衰變有何意義？

希格斯粒子是粒子物理標準模型中，最后一個被找到的基本粒子，之所以如此，是因為它的產額極低，并在極短時間內自發地衰變成其他粒子。

2012年7月4日，CERN向全世界公布了希格斯粒子被發現的實驗結果。很多科學家由此開始了新的研究旅程。

中國科學院高能物理研究所研究員黃燕萍就是其中一員。從2013年起，她便開始了與希格斯粒子相關的多項實驗，其中之一就是尋找希格斯玻色子衰變到Z玻色子和光子的過程。

“這是一種稀有衰變。”黃燕萍告訴《中國科學報》，之所以“稀有”，是因為1000個希格斯粒子只有1-2個會衰變成一個Z玻色子和一個光子，又由于有限的實驗數據和實驗測量的有限分辨能力，當前科學家主要是通過Z玻色子衰變到電子對或者繆子對來實現。

在黃燕萍看來，這項研究非常困難，卻非常重要。

粒子物理學家認為，研究希格斯粒子的衰變過程，將有助于確定一些重要參數，并理解“質量是如何形成產生的”等問題。

而他們之所以費盡力氣尋找希格斯玻色子衰變到Z玻色子和光子的過程，是因為這種稀有衰變過程有可能幫助人們深入理解希格斯粒子與其他粒子相互作用時的“圈圖作用”。

“許多理論預言，希格斯粒子衰變到Z玻色子、光子的‘圈圖作用’中可能存在新粒子，如額外的無色帶電標量粒子、輕子或者矢量玻色子。”黃燕萍說。

“圈圖作用”是從粒子物理標準模型推導出的結果，被視為一種復雜的量子過程。按照粒子物理基本模型的解釋，基本粒子通過與希格斯粒子發生相互作用而獲得質量，但由于光子沒有質量，因而原則上希格斯粒子與光子間沒有直接的相互作用，然而，現實情況卻是希格斯粒子衰變出了光子。唯一能自洽的解釋就是“圈圖作用”，即希格斯粒子沒有直接和光子發生相互作用，而是通過與其他粒子發生量子作用，最終產生光子。

“我們這次觀測到希格斯玻色子的稀有衰變現象，為深入理解希格斯粒子參與的‘圈圖作用’機制，檢驗標準模型以及探索新物理提供了新的窗口。”黃燕萍說。

為什么要做“聯合研究”？

ATLAS和CMS是大型強子對撞機上兩個重要的實驗組，早在LHC第一輪運行時期，兩個實驗組就在測量希格斯粒子質量時有過合作。

來自CMS的LHC希格斯聯合分析組共同召集人、中國科學院高能物理研究所研究員陳明水介紹，這兩個實驗目標相似，但各有長處的探測器，CMS在繆子探測上具有很高的靈敏度，而ATLAS勝在對大動量末態粒子的監測。

“兩個相互獨立的實驗不僅可以交叉檢驗重要結果，還可以聯合起來充分利用數據，提高測量精度與顯著性。”陳明水告訴《中國科學報》。

2020年，黃燕萍帶領ATLAS團隊，完成了希格斯粒子到Z玻色子、光子的尋找，但分析結果的統計顯著性只有2.2倍標準偏差，而只有在這一結果超過3倍標準偏差時，才能被判定為“觀測到衰變跡象”。

為了提高顯著性，黃燕萍向ATLAS與CMS上設的管理組提出申請，建議對兩個實驗組在LHC第二輪運行時的探測數據進行聯合分析。

2022年，CMS也獨立完成了希格斯粒子到Z玻色子、光子稀有衰變的測量，統計顯著性只有2.7倍標準偏差。

兩個探測器團隊經過內部協商后，決定將兩組數據進行聯合研究。

經過聯合測量，分析結果的統計顯著性達到3.4倍標準偏差。這一結果超過了通常被認為是“實驗證據”的3倍標準偏差閾值，被判定為“觀測到衰變跡象”。

研究希格斯粒子的終極目標是什么？

因為希格斯粒子產生后在極短時間內衰變成其他粒子，粒子物理學家對希格斯粒子的研究，大多圍繞著其衰變產物進行。

陳明水告訴《中國科學報》，粒子物理學家正在研究希格斯粒子的各類衰變過程，如希格斯粒子衰變到正反底夸克、雙光子、正反繆子等的過程。

黃燕萍表示，觀測到稀有衰變跡象，只是研究這一稀有衰變的“第一步”，“后續我們希望將實驗結果的顯著性提高至5倍標準偏差，以期從中發現符合預期或超出預期的實驗結果”。

不過，他們對希格斯粒子的研究，并不限于希格斯粒子的衰變過程。

“希格斯粒子研究的終極目標是要發現并檢驗希格斯粒子本身的質量起源，也可以說是解剖‘上帝’。”陳明水說。

最近，黃燕萍耗時近6年，終于完成了ATLAS探測器的能量精確刻度，由此提升了希格斯質量測量的精度。

除了不斷完善研究“工具”之外，希格斯粒子的自相互作用也是科學家們關注的最重要問題。

目前，希格斯粒子與費米子、玻色子等粒子的相互作用已被陸續驗證，而希格斯粒子自相互作用的具體機制仍不明朗。

“標準模型預言，希格斯粒子可以通過自相互作用獲得質量。”陳明水解釋，他們一直想弄明白的問題是“希格斯粒子為所有基本粒子提供了質量，那它自己的質量從何而來”。

正因如此，通過研究雙希格斯粒子的產生過程，測量希格斯粒子自相互作用，已成為研究熱點。

為什么要建“希格斯工廠”？

當前，不少希望做希格斯粒子研究的粒子物理學家都對“希格斯工廠”寄予厚望。日本的國際直線對撞機（ILC）、歐洲的未來環形對撞機（FCC）與中國的大型環形正負電子對撞機（CEPC）項目都是其中的代表性計劃。

那么，既然現有裝備可以開展希格斯粒子研究，為什么粒子物理學家還在呼吁建設“希格斯工廠”呢？

“‘希格斯工廠’的物理過程更‘干凈’。”陳明水說。

目前，LHC采用質子對撞方式，盡管能夠產生大量希格斯粒子，但碰撞過程復雜，會生成大量與希格斯粒子研究無關的物質，在探測器內造成干擾，使得實際采集到和用于分析的粒子數量有限。

如果采用正負電子對撞的方式，獲得希格斯粒子的過程中，干擾粒子少，采集到的希格斯粒子都可以用來做精確分析，使得希格斯粒子的許多屬性的測量精度提升一個量級。

據悉，目前，中國、日本和歐洲的“希格斯工廠”計劃都在推進之中。中國CEPC項目研究工作組不斷優化加速器的設計，于2023年12月25日正式發布了《加速器技術設計報告》。日本的ILC項目則調整了對撞機的設計規模，等待政府的進一步評估和決策。而CERN則從選址、技術等方面對FCC項目的可行性進行進一步的評估，有消息認為其最早可能于2033年動工。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.021803

https://doi.org/10.1016/j.physletb.2020.135754